自然子课题:云南大学杨团队揭示丙酸代谢中间产物d

它是线粒体细胞的能量工厂和代谢中心。葡萄糖、脂肪酸和各种氨基酸在线粒体氧化分解时产生各种有机酸中间体。通常情况下，这些有机酸中间体被TCA(三羧酸循环)氧化或用作合成新大分子的前体，因此它们在细胞中的浓度非常低。相关代谢酶的缺陷会导致体内有机酸的过度积累，表现为血液和尿液中有机酸浓度的升高，从而导致一种严重的遗传代谢疾病：有机酸性血尿。目前，有机酸性血尿的分子细胞学机制极不清楚。

D-2-羟基戊二酸(D-2HG)主要来源于TCA循环底物-酮戊二酸(-KG)的还原，其积累可导致D-2-羟基戊二酸尿症(D-2-HGA)，这是一种罕见的常染色体隐性疾病，具有严重的发育迟缓、进行性神经损伤和脑损伤，但其致病机制另外，许多研究发现，D-2HG可能通过诱导异常组蛋白修饰和DNA甲基化促进肿瘤发生。虽然D-2HG在线粒体中产生，但它对线粒体的结构和功能有什么影响尚不清楚。与D-2HG类似，线粒体中也会产生3-羟基丙酸(3-HP)，它来源于线粒体中丙酸和支链氨基酸的氧化代谢。3-HP的异常积累是PPA、MMA等丙酸代谢性疾病的特征性指标。到目前为止，还不知道3-HP是否以及如何影响线粒体稳态。

近日，云南大学生命科学中心杨实验室在《自然细胞生物学》杂志上发表了一篇研究论文，题为：一个反馈环参与的命题催化中间体控制线粒体形态。

本研究以秀丽隐杆线虫为模型。发现D-2HG和3-HP的过量积累引起线粒体结构和功能的破坏，揭示了D-2HG和3-HP组成的代谢反馈环及其线粒体破坏的分子和细胞生物学机制。在这个代谢反馈循环中，D-2HG的过量积累与3-羟基丙酸脱氢酶(HPHD-1)结合，抑制其活性，导致3-HP的大量积累(图1)。此外，3-HP特异性结合MICOS复合物的Mic60/IMMT-1亚单位，这是线粒体内外膜接触和嵴形成所必需的，并抑制Mic60/IMMT-1介导的内嵴形成，导致线粒体损伤。

同时，研究团队发现，饮食/肠道细菌可以调节宿主体内3-HP的产生，从而显著影响宿主的线粒体健康。该研究不仅首次揭示了D-2HG积累与丙酸分解代谢之间的反馈抑制关系，也为D-2-HGA、PPA和MMA等相关疾病的分子和细胞生物学机制提供了重要线索。

在这项研究中，研究人员首次建立了基于线虫的线粒体稳态研究体系。通过正向遗传筛选发现，编码D-2HG脱氢酶的基因dhgd-1的突变导致D-2HG的显著积累，线粒体呈现不规则增大和空泡的异常结构。为了确定D-2HG是否是dhgd -1突变体线粒体损伤的直接原因，研究人员将3-HP脱氢酶基因hphd-1的突变引入dhgd-1突变体，抑制D-2HG的产生。发现dhgd-1 hphd-1的双突变体不再积累D-2HG。令人惊讶的是，这些双突变体显示出与dhgd-1单突变体相似的线粒体缺陷。此外，研究人员通过非选择性突变体筛选确定了hphd-1的单一突变体，并发现其具有类似的线粒体缺陷。这些结果表明，D-2HG不是线粒体损伤的直接原因。

图一。线虫A中编码D-2HG脱氢酶的基因dhgd-1突变和3-HP脱氢酶基因hphd-1突变导致线粒体结构异常。B线虫中支链氨基酸、丙酸和奇数链脂肪酸的代谢途径：依赖VB12的经典途径和不依赖VB12的途径。在用缺乏维生素B12的大肠杆菌OP50(B型e。大肠杆菌)，丙酸的分解代谢主要通过不依赖于VB12的途径发生。在这一代谢过程中，dhgd-1的功能丧失导致D-2HG的过度积累，结合并抑制3-羟基丙酸脱氢酶(HPHD-1)的活性，进而导致3-HP的积累。

此外，研究人员推测D-2HG是否导致其上游代谢物3-HP的积累，并通过反馈抑制损伤线粒体。通过GC-MS检测，他们发现dhgd-1和hphd-1突变体中3-HP的含量显著增加。当补充VB12通过依赖VB12的经典途径降解丙酸时，3-HP的积累受到抑制，然后dhgd-1和hphd-1突变体中的线粒体恢复正常。这些结果证明3-HP的异常积累是线粒体结构和功能损伤的直接原因。

研究小组进一步证明，D-2HG与HPHD-1蛋白结合，抑制后者的脱氢酶活性。因此，在dhgd-1突变体中，D-2HG的过量积累对HPHD-1产生反馈抑制，导致3-HP的积累。通过脂质共沉淀实验，他们发现3-HP与Mic60/IMMT-1结合，而a-KG和D-2HG与Mic60的结合能力弱得多。3-HP显著抑制小鼠60/IMMT-1介导的脂质体变形。在dhgd-1和hphd-1突变体中，Mic60/IMMT-1的过表达修复了突变体的线粒体缺陷。体内外实验结果表明，3-HP作用于小鼠60/IMMT-1细胞，导致线粒体损伤。

最后，研究小组发现dhgd-1和hphd-1突变体的线粒体缺陷受到饮食/肠道细菌的影响。饲喂K12大肠杆菌(如HT115)可使这些突变体的缺陷线粒体恢复正常。HT115大肠杆菌通过多种机制调节宿主体内3-HP的产生，从而影响线粒体的结构和功能，包括激活依赖于VB12的丙酸代谢途径，减少宿主体内丙酸(支链氨基酸)的来源。这些结果为治疗与D-2HG和3-HP相关的人类疾病提供了重要的思路(图2)。

图2饮食/肠道细菌影响丙酸代谢中间产物D-2HG和3-HP损伤线粒体的机制模型。在用缺乏维生素B12的大肠杆菌OP50(B型)喂养的线虫中，丙酸分解代谢主要通过不依赖于VB12的途径发生。其中，HPHD-1蛋白以3-HP和-KG为共同底物，产生丙二酸半醛(MSA)和D-2HG，再由DHGD-1蛋白催化产生-KG，从而避免了D-2HG在体内的过量积累(第一部分)。在dhgd-1突变体中，D-2HG的过量积累对HPHD-1产生反馈抑制，导致3-HP的积累。过量的3-HP与Mic60/IMMT-1蛋白结合，抑制其与线粒体内膜的结合和内嵴的形成，导致线粒体损伤(中)。HT115大肠杆菌(K12型)通过激活依赖于VB12的丙酸代谢途径，降低宿主体内的丙酸(支链氨基酸)，从而抑制宿主体内3-HP的产生，从而改善线粒体的结构和功能(第二部分)。

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